高温炮孔中乳化炸药升温规律分析 .pdf
doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2016. 01. 011 高温炮孔中乳化炸药升温规律分析 ❋ 林谋金①② 郑炳旭① 李战军① 崔晓荣① 周科平② 束学来① ①宏大矿业有限公司广东广州,510623 ②中南大学资源与安全工程学院湖南长沙,410083 [摘 要] 为了获得高温炮孔中防护前后的乳化炸药内部温度变化规律,采用热电偶测温技术对乳化炸药内部不 同位置的温度变化曲线进行测量。 结果表明防护下乳化炸药最高温度不超过水浴温度,其内部不同位置的温度 变化曲线可通过指数函数进行较好的描述,最外层的温度变化曲线与水的温度变化曲线变化规律基本一致,而内 部温度相对较低,说明乳化炸药的外层受到环境温度影响较大,而油包水结构与硝酸铵溶液吸热作用导致内部升 温速率相对较慢,因此有利于防护后的乳化炸药在高温火区中得到应用。 [关键词] 露天开采;高温爆破;乳化炸药;耐火隔热材料;升温速率 [分类号] TD235. 2 +1 引言 我国某些煤炭与含硫矿等矿山由于有长时间的 自燃现象而造成部分矿岩存在高温现象[1],因此, 为了保证爆破开采安全,可对炸药进行隔热防护,需 要进一步了解高温炮孔中防护前后的炸药内部温度 变化规律。 在炸药热分解方面,姚二岗等[2]用 DSC 曲线数 据估算硝化棉由自催化分解转向热爆炸时的热爆炸 临界升温速率值。 胡荣祖等[3]根据反应进度和反 应体系能量变化的关系以及非等温反应的动力学方 程,导出一级自催化分解反应体系热爆炸的临界升 温速率估算式。 另外,部分研究者对非炸药材料的 内部温度进行研究,董福品[4]对缓凝混凝土绝热升 温进行研究,同时给出了其拟合方法。 李娟等[5]运 用有限元分析软件研究了不同火灾升温速率对某防 火简支钢梁耐火时间的影响。 在高温火区爆破开采 研究应用中,在高温炮孔中采用耐火隔热材料防护 下的乳化炸药内部温度变化规律在国内相关文献中 未见公开报道。 因此,本文在宁夏火区现场采用热电偶测温技 术[6]对乳化炸药内部不同位置的温度变化曲线进 行了测量,其结果可为防护下的乳化炸药在高温爆 破中的应用提供一定的参考,也可对乳化炸药在生 产过程中出现的大直径药卷冷却慢的现象提供一定 解释。 1 现场试验 现场试验将分别对防护前后的乳化炸药内部温 度进行测量,药卷防护采用以陶瓷纤维为主的多层 结构耐火隔热套筒,套筒外径为 125 mm,内径为 120 mm,长度为 82 cm;药卷直径为 110 mm,长度为 40 cm,即 1 个套筒中可以装入 2 个药卷,通过在套 筒与药卷的间隙中注入水,使乳化炸药表面在后期 也能保持在水浴温度环境中,有利于对炸药进行更 好的防护。 另外,为了避免水沸腾后产生的水蒸气 积聚在套筒内,造成压力升高,导致套筒破坏,在套 筒投入炮孔前需要在套筒的上端戳个孔用来释放水 蒸气。 测温的热电偶与导线外层采用不锈钢进行铠 装,使其适用于高温炮孔中的恶劣环境,其直径为 3 mm,使用的最高环境温度为 1 100 ℃。 温度记录仪 型号为 YC-747U4 通道,测温精确度为 0. 1%,读 值 +0. 7 ℃。 每次试验时,将不同热电偶接入固定的温度记 录仪通道,采样间隔时间为 1 s,试验前不同通道显 示的环境温度相差不能超过5 ℃才能进行试验。 如 图 1 所示,试验时在炸药内部等间距布置 4 个热电 偶,用于测量炸药内部不同位置的温度。 乳化炸药 中间位置的热电偶编号为 1#,离中心约 18 mm 位置 的热电偶编号为 2#,离中心位置约 36 mm 位置的热 电偶编号为3#,乳化炸药最外层位置的热电偶编号 742016 年 2 月 高温炮孔中乳化炸药升温规律分析 林谋金,等 ❋ 收稿日期2015-09-25 基金项目广东省产学研合作院士工作站,2013B090400026 作者简介林谋金1985 ,男,博士,工程师,主要从事爆炸力学及高温火区爆破相关领域研究。 E-maillmj2012pt@163. com 图 1 热电偶相对位置示意图 Fig. 1 Schematic diagram of relative position of the thermocouple 为 4#。 另外,有防护套筒时在套筒与药卷间隙中的 水中布置一个热电偶,用于测量水的温度变化;在套 筒的外部布置一个热电偶用于测量炮孔温度,套筒 与药卷间隙水中的热电偶编号为 5#,耐火隔热套 筒外围的热电偶编号为 6#。 用于试验的炮孔温度 为 350 400 ℃。 2 试验结果与分析 2. 1 无防护乳化炸药温度变化 通过读取温度记录仪得到无防护时的乳化炸药 内部不同位置的温度变化曲线,如图 2 所示。 图 2 无防护乳化炸药内部不同位置的温度历史曲线 Fig. 2 Temperature history curves at internal different position of emulsion explosive without protection 由图 2 可得,乳化炸药最外层部分的温度上升 速度相对较快,而内部温度上升相对较为缓慢。 该 现象主要与乳化炸药是油包水结构而导致其导热系 数较低有关;另外,乳化炸药中的硝酸铵溶液具有较 大的比热容,也将导致其内部温度较低。 因此,爆破 器材的防护目标主要是确保爆破器材的外表面的温 度不能超过限定值。 试验过程中,乳化炸药在 350 ℃炮孔中放置 15 min 后开始出现冒烟现象,此时最外层部分的温度 为 150 ℃;将乳化炸药继续放置在高温炮孔中5 min 后拉出,此时最外层部分的温度为200 ℃,超过乳化 炸药发生激烈热分解的临界温度189. 9 ℃ [7];然 后快速上升到 800 ℃以上,说明乳化炸药的最外层 部分开始加速分解并燃烧;经过4 min 后,离表层13 mm 位置的温度出现快速上升,说明燃烧位置往乳 化炸药内部推进 13 mm 左右,此时乳化炸药的中心 部分温度也开始加速上升,并在 29 min 时刻快速升 到980 ℃,说明此时炸药药卷整体都在燃烧;药卷在 45 min 燃烧暂时熄灭,但在 70 min 后又重新燃烧, 最后整个药卷烧完。 2. 2 防护下乳化炸药温度变化 将防护后的乳化炸药内部不同位置的温度进行 测量,炸药中心位置与最外层的温度各测 2 次,得到 的高温炮孔、套筒与药卷间隙中的水以及防护下乳 化炸药内部不同位置的温度变化曲线见图 3。 图 3 防护下乳化炸药内部不同位置的温度历史曲线 Fig. 3 Temperature-history curves at internal different position of emulsion explosive under protection 由图 3 可得,试验炮孔的环境温度为 350 ℃左 右,套筒与药卷的间隙中水的稳定温度为 93 ℃ 左 右,与试验现场海拔1 960 m下的沸点温度吻合, 该温度远低于乳化炸药发生激烈热分解的临界温度 189. 9 ℃ [7],有利于提高防护下乳化炸药在高温 84 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 1 期 火区应用的安全性;另外,炸药表面温度达到稳定的 时间约为 18 min,而后长期保持在不超过水沸点的 温度。 乳化炸药最外层的温度变化曲线与水的温度 变化曲线变化规律基本一致,但它们的稳定温度都 略低于水的沸点温度,说明乳化炸药的外层受到环 境温度影响较大;另外,2 次试验的曲线有一定的差 别,可能与热电偶所在位置的精确度有关。 离中心位置约 36 mm 位置的热电偶在 60 min 后的温度约为 61. 9 ℃,离中心位置约 18 mm 位置 的热电偶在 60 min 后的温度约为 43. 1 ℃,中间位 置的热电偶在 60 min 后的温度约为 31. 3 ℃,说明 乳化炸药内部温度相对较低,与乳化炸药是油包水 结构有关,即油包水结构导致乳化炸药的导热系数 较低。 另外,乳化炸药中的硝酸铵溶液具有较大的 比热容,也将导致其内部温度较低,上述原因有利于 防护下的乳化炸药在高温火区中应用。 中间位置的热电偶在 2 次试验中得到的温度变 化曲线未能重合,但其变化规律基本一致,说明乳化 炸药内部同一位置的温度变化规律较稳定,温度变 化曲线未能重合主要是由该位置的初始温度不同而 引起的。 试验结束后将隔热套筒从炮孔中取出,然后将 隔热套筒沿外层母线从上往下剥开,以便观察套筒 中的水位情况。 结果表明,加热 60 min 后套筒中的 水位降至离套筒顶端 30 cm 的位置,主要是由水沸 腾后溢出套筒以及水蒸发造成的。 从安全方面考 虑,如果套筒与药卷间隙的水位低于离套筒顶端 30 cm 的位置,套筒上端口的温度将超过 100 ℃,沸腾 后的水即使能上升一定高度,也无法充分保护套筒 上部的炸药,另外水沸腾后产生的水蒸气无法充分 保护套筒上部的炸药,因此,可认为套筒中的水位降 至离套筒顶端 30 cm 的位置是隔热套筒保护炸药的 安全节点。 2. 3 数据拟合 目前,常用的升温数学表达式主要有双曲线型、 指数Ⅰ型、指数Ⅱ型复合指数型等[4]。 为了对高 温炮孔中耐火隔热材料防护下的乳化炸药内部不同 位置的温度变化曲线进行描述,本文根据试验数据 的特点,在指数Ⅱ型表达式中添加一项常数项,其表 达式如下 Tt = T0+ Tc1 - e - atb。 1 式中T 为任意时刻的温度,℃;T0为初始温度,℃; Tc为最终温度与初始温度的差值,℃;t 为试验时 间,min;a、b 为由试验数据拟合确定的常数。 通过最小二乘法原理,对乳化炸药内部不同位 置的温度历史曲线进行拟合,拟合效果如图 3 所示, 拟合系数见表 1。 由表 1 可得,乳化炸药内部不同位置等间距 的温度历史曲线根据式1拟合后的相关系数都趋 于 1,说明采用改进的指数Ⅱ型表达式对防护下乳 化炸药内部温度变化曲线的拟合效果较理想,而同 一位置由于不同初始温度引起温度历史曲线的拟合 参数则相差较大。 表 1 不同位置升温曲线的拟合系数 Tab. 1 Fitting coefficients of temperature rising curves for different position 热电偶 位置 初始温度 T0/ ℃ 温度差 Tc/ ℃ ab相关系数 1. 1∗12. 1724. 083. 25 10 -7 3. 7560. 999 1. 2∗4. 8247. 803. 15 10 -5 2. 4130. 995 211. 3735. 529. 69 10 -5 2. 4100. 999 314. 4147. 291. 31 10 -3 1. 9080. 998 415. 4272. 780. 021. 7420. 997 ∗1. 1 和1. 2 分别为药卷中心在2 次试验时分别获得数 据的拟合结果。 2. 4 升温速率 为了对不同乳化炸药内部不同位置的升温速率 进行比较,将温度历史曲线进行求导,得到不同位置 的升温速率曲线,如图 4 所示。 图 4 防护下乳化炸药内部不同位置的升温速率 Fig. 4 Temperature increasing speed at internal different position of emulsion explosive under protection 由图 4 可得,乳化炸药最外层的升温速率在5. 7 min 左右达到最大值6. 15 ℃ / min,在 20 min 后升 温速率趋于 0,即其温度已达到稳定值。 离药卷中 心位置约 36 mm 位置的乳化炸药,在21. 2 min 左右 的升温速率达到最大值1. 21 ℃ / min;离药卷中心 位置约 18 mm 位置的乳化炸药在 40 min 左右的升 温速率达到最大值0. 78 ℃ / min;乳化炸药中间位 置的升温速率,在 52 min 左右达到最大值0. 62 ℃ / min,说明乳化炸药内部的升温速率最大值随 着与药卷表面距离减小而增大。 2 次试验得到药卷 942016 年 2 月 高温炮孔中乳化炸药升温规律分析 林谋金,等 中间位置的温度历史曲线,因初始温度不同引起两 者未能重合,但升温速率变化曲线基本一致,进一步 说明乳化炸药内部同一位置的温度变化规律较稳 定。 乳化炸药中间位置的升温速率在开始阶段处于 停滞状态阶段,在 25 min 后才开始增长,说明乳化 炸药靠近内部的升温速率相对较为缓慢。 2. 5 相邻位置温度求差 将乳化炸药内部相邻不同位置的温度历史曲线 进行求差,得到相应的差值曲线即温度梯度曲线,如 图 5 所示。 图 5 不同位置的温度梯度 Fig. 5 Temperature gradients at different position 由图 5 可得,乳化炸药内部等间距的温度梯度 最大值随着离药卷表面距离减小而增大,温度梯度 4#-3#最大值出现在 15 min 左右,与炸药最外层温度 达到最大值的时间一致。 炸药最外层温度达到最大 值后保持不变而内部温度开始上升,因此,温度梯度 出现最大值后开始下降。 3 结论 本文采用热电偶测温技术对高温炮孔中的乳化 炸药内部不同位置的温度进行测量。 结论如下 1在 350 ℃炮孔中放置无防护乳化炸药,其最 高温度在 20 min 超过 200 ℃,防护下乳化炸药最高 温度长时间不超过水浴温度,但套筒中的水位降至 离套筒顶端 30 cm 的位置,可认为隔热套筒保护的 安全节点。 2防护下乳化炸药内部不同位置的温度变化 曲线,可通过指数Ⅱ型表达式进行拟合,其拟合效果 较理想,而不同初始温度将导致同一位置的温度历 史曲线拟合参数相差较大。 3防护下乳化炸药最外层的温度变化曲线与 水的温度变化曲线变化规律基本一致,而内部温度 相对较低,说明乳化炸药的外层受到环境温度影响 较大。 4防护下乳化炸药内部的升温速率与温度梯 度最大值随着与药卷表面距离增大而减小,内部同 一位置的温度变化规律较稳定,其温度历史曲线主 要由该位置初始温度决定。 5乳化炸药的油包水结构与硝酸铵吸热作用 导致乳化炸药内部升温速率相对较慢,因此乳化炸 药的内部温度相对较低,有利于防护下的乳化炸药 在高温火区中应用。 参 考 文 献 [1] 齐俊德,禹学成. 浅谈宁夏煤田火灾现状及综合治理 [J]. 陕西煤炭,2007136-38. 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By adopting safe protection measures, the three constructers collapsed in different directions and times, vibration was reduced, and the flying rocks were controlled. The blasting demolition achieves good and the desired results. [KEY WORDS] turriform frame construct; blasting demolition; blasting parameters; safe protection 上接第 50 页 Temperature Raising Analysis of Emulsion Explosive in Blast Holes at High Temperature LIN Moujin①②, ZHENG Bingxu①, LI Zhanjun①,CUI Xiaorong①, ZHOU Keping②, SHU Xuelai① ①Hongda Mining Co. , Ltd. Guangdong Guangzhou, 510623 ②School of Resources and Safety Engineering, Central South University Hu’nan Changsha, 410083 [ABSTRACT] In order to obtain the internal temperature distribution of the emulsion explosive in blast hole at high tem- peratures, the thermocouple temperature measurement technology was applied to measure the inner temperatures different positions of the emulsion explosive. The results show that the temperature of the emulsion explosive was lower than that of water and the internal temperature-history curve of the emulsion explosive can be better described by an exponential func- tion. The change of temperature-history curve of outer emulsion explosive is in accordance with the change of temperature- history curve of water, and the inner temperature is relatively lower, which shows the outer of the emulsion explosives are affected by the environmental temperature. The inner temperature rise rate of emulsion explosive is relatively slow because of the water-in-oil structure and specific endothermic action of ammonium nitrate. It is advantageous for emulsion explosive under protection to be used in the fire area at high temperatures. [KEY WORDS] open-pit mining; high-temperature blasting; emulsion explosive; refractory insulation material; tempera- ture rising rate 552016 年 2 月 复杂环境下 3 座塔形框架结构景观房的控制爆破拆除 杨仕教,等